Основы физики плазмы - Кролл Н.
Скачать (прямая ссылка):
Можно получить критерий устойчивости для стелларатора с током нагрева, аналогичный критерию Крускала — Шафранова. Когда ток нагрева создает магнитное поле, усиливающее вращательное преобразование, условие устойчивости имеет вид
УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАЗМЫ; ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ РАССМОТРЕНИЕ 225
Если вращение ослабляется, условие устойчивости записывается следующим образом:
BtAi „ 21
L >7Т;
здесь I —ток нагрева, L —длина большой окружности тора, А —радиус плазменного шнура, Bt —компонента магнитного поля вдоль плазмы,
і — угол вращательного преобразования, связанный с магнитным полем.
Оказывается, в стеллараторе можно выполнить критерий Крускала — Шафранова и исключить наиболее разрушительный тип гидромагнитной неустойчивости; однако ему все еще свойственны, по-видимому, кинетические неустойчивости, которые приводят к аномальному уходу плазмы. Другие схемы нагрева плазмы в стеллараторах до настоящего времени не смогли преодолеть такой уход плазмы. Иной подход к проблеме удержания плазмы в тороидальной конфигурации состоит в использовании плазменных токов для создания удерживающего магнитного поля, или по крайней мере для улучшения устойчивости плазмы.
16.3. Токамаки
Советские ученые предложили и стали разрабатывать определенное направление *) в исследованиях по удержанию плазмы в тороидальных магнитных конфигурациях, которое, очевидно, решает ряд проблем равновесия и устойчивости плазмы, присущих стеллараторной конфигурации. Их подход к тороидальному равновесию и устойчивости состоит в том, чтобы вместо внешних проводников использовать токи в плазме для создания магнитного поля, которое превращает чисто тороидальное поле в тороидально-полоидаль-ное с нужным значением угла вращательного преобразования і.
На фиг. 111 приведена схема установки Токамак. К тороидальному шнуру плазмы с низкой плотностью и низкой температурой прикладывается импульс сильного электрического поля в тороидальном направлении. Это электрическое поле возбуждает большой тороидальный ток, который создает полоидальное магнитное поле. На фиг. 111 проведено также сравнение магнитных полей в стеллараторе и токамаке. Конфигурация токамака имеет несколько больший шир и обладает большей внутренней симметрией, чем конфигурация стелларатора. Ток в нем нагревает плазму до относительно высокой температуры.
Результаты, полученные недавно на токамаках, вселили падежду на то, что высокотемпературную плазму можно удержать. В Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова на установке Т-3 получена плазма с плотностью 5-IO13 см-3, температурой ионов 600 эВ и временем удержания 20 мс [24*].
Для сравнения успехов, достигнутых в различных экспериментах по удержанию, в которых плазма уходит поперек силовых линий магнитного поля, пользуются величиной отношения экспериментального времени удержания в данном опыте к тому времени удержания, которое имело бы место при уходе плазмы за счет бомовской диффузии (Db ~ Т/В). Это отношение является важным параметром для экспериментов по управляемому синтезу, так как в настоящее время стало ясно, что не обязательно добиваться классической диффузии. Дело в том, что критерий Лоусона может быть удовлетворен в случае, если время удержания составляет IO4Tb (тв —время ухода за счет бомовской диффузии). На установке Т-3 достигнуто энергетическое время удержания порядка 100тв. На базе этих успешных результатов советские ученые собираются (1972 г.) построить 2) установку Т-10, которая должна
х) Это направление развивалось под руководством JI. А. Арцимовича.— Прим. ред.
2) В настоящее время произведен физический пуск установки Т-10 (см. статью Е. П. Велихова и Б. Б. Кадомцева в газете «Правда» от 4 июля 1975 г.).— Прим. ред.
Наборный сердечник трансформатори
а
Стабилизирующий, экран из меди
Плазма
Лайнер из 'Нержавеющей, стали Кату тки, создающие тороидально^ поле Щель в экране
Стелларатор
Фиг. 111. Сравнение конфигураций магнитного поля в токамаке и стеллараторе.
а — тороидальная конструкция; б — распределение токов и магнитных полей в тороидальной конфигурации; в — тороидальная магнитная поверхность; показано кручение силовой линии; угол вращательного преобразования i = IRky./Ba2; запас устойчивости q = 2x/i > 1; г — магнитная поверхность^ токамака; д — магнитная поверхность стелларатора.
УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАЗМЫ; ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ РАССМОТРЕНИЕ 227
\ГГ. 'TPrt
\ • -_> Ь-
* ; “ ‘ л
. si
7/
Фиг. 112. Общий вид установки токамак в Принстонской лаборатории физики плазмы, переделанной из стелларатора модели С.
быть в три раза больше Т-3. Эти многообещающие результаты также стимулировали большую активность в США в деле изучения токамаков. Принстонский стелларатор модели С был переделан в 1970 г. в токамак (названный ST, фотография этой установки приведена на фиг. 112). Кроме того, развиваются исследования по этому вопросу (1972 г.) в Техасском университете, Окридж-ской национальной лаборатории, Массачусетском технологическом институте и в «Галф дженерал атомик».
§ 17. ДРУГИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО УДЕРЖАНИЮ ПЛАЗМЫ 17.1. Установки с инжекцией нейтральных пучков